(57)【要約】      （修正有）【課題】回転シャフトに対する径方向移動式容量型トルクセンサで、誘電物質を付勢せずに運転者の操縦力を検知する装置を提供する。【解決手段】  径方向移動式容量型トルクセンサは、共通平面内に存する一対の同心的コンデンサ・プレート・リング１４，１６と、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングに臨むコンデンサ・プレート・リング１０と、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと上記コンデンサ・プレート・リングとの間に配設されたパドル・アセンブリと２０を含む。上記パドル・アセンブリは、円形開口を有すると共に少なくともひとつの離間軸受対が取付けられた第１ロータ２２と円形開口を有し少なくとも一個の枢動点が配置された第２ロータ２４と誘電ヘッド２８と、湾曲ネック１０２と、本体とを有する少なくとも一個のパドル２６とを含む。上記センサは埋設トーション・ロッドにより相互接続された２つのシャフト上に取付けられる。【選択図】図５
2005326390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通平面内に存する一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと、
上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングに臨むコンデンサ・プレート・リングと、
上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと上記コンデンサ・プレート・リングとの間に配設されたパドル・アセンブリであって、
円形開口を有すると共に少なくともひとつの離間軸受対が取付けられた第１ロータと、
円形開口を有すると共に少なくとも一個の枢動点が配置された第２ロータと、
誘電ヘッドと、湾曲ネックと、本体とを有する少なくとも一個のパドルであって、上記湾曲ネックは上記少なくともひとつの離間軸受対の内の対応する離間軸受対の間に配設され、且つ、上記本体は上記少なくとも一個の枢動点の内の対応する枢動点に対して枢動的に連結されるという少なくとも一個のパドルと、
を備えるパドル・アセンブリとを備える、
径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項２】
前記第２ロータに関して前記第１ロータが回転されたときに前記ヘッドは上記第２ロータに関して径方向および円周方向の両方に移動する、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項３】
前記少なくともひとつの離間軸受対と当該少なくともひとつの凹状領域との間の係合により前記第１ロータおよび第２ロータの回転移動が制限される如く、上記第１ロータに臨む上記第２ロータの表面にて該第２ロータには、上記少なくともひとつの離間軸受対に対応して該離間軸受対に係合する少なくともひとつの凹状領域が形成される、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項４】
当該突起がシャフト上の溝との係合に使用され得る如く、前記第１および第２ロータの少なくとも一方は、その円形開口を囲繞する表面に突起が形成される、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項５】
前記パドル・アセンブリは４個のパドルを有し、且つ、前記第１ロータは上記４個のパドルに各々が係合する４つの離間軸受対を有する、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項６】
前記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングおよび前記コンデンサ・プレート・リングの少なくとも一方はプリント配線基板（ＰＣＢ）上に配設される、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項７】
前記第１ロータが前記第２ロータに関して第１方向に回転されるときに前記少なくとも一個のパドルの前記誘電ヘッドは概略的に外径方向に移動する、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項８】
前記第１ロータが前記第２ロータに関して第２方向に回転されるときに前記少なくとも一個のパドルは概略的に内径方向に移動する、請求項７記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項９】
前記少なくとも一個の枢動点において前記第２ロータには枢動ピンが取付けられ、且つ、前記本体には上記枢動ピンに枢動的に連結される開口が形成される、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項１０】
前記少なくとも一個のパドルの前記湾曲ネックにはスロットが形成されることで、該湾曲ネック上に一体的スプリングを形成する、請求項１記載の径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項１１】
回転軸心を有する回転シャフトであって、一方のシャフト部分に付与されたトルクは他方のシャフト部分に関する角度的変位を引き起こすという２つのシャフト部分を有する回転シャフトに対する径方向移動式容量型トルクセンサであって、
共通平面内に存すると共に上記一方のシャフト部分を取り囲む一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと、
上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングに臨むと共に上記他方のシャフト部分を取り囲むコンデンサ・プレート・リングと、
上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと上記コンデンサ・プレート・リングとの間に配設されたパドル・アセンブリであって、
上記一方のシャフト部分に係合する円形開口を有すると共に少なくともひとつの離間軸受対が取付けられた第１ロータと、
上記他方のシャフト部分に係合する円形開口を有すると共に少なくとも一個の枢動点が配置された第２ロータと、
誘電ヘッドと、湾曲ネックと、本体とを有する少なくとも一個のパドルであって、上記湾曲ネックは上記少なくともひとつの離間軸受対の内の対応する離間軸受対の間に配設され、且つ、上記本体は上記少なくとも一個の枢動点の内の対応する枢動点に対して枢動的に連結されるという少なくとも一個のパドルと、
を備えるパドル・アセンブリとを備える、
径方向移動式容量型トルクセンサ。
【請求項１２】
一方のシャフト部分に付与されたトルクは他方のシャフト部分に関する角度的変位を引き起こすという２つのシャフト部分の間におけるトルクを測定する方法であって、
上記一方のシャフト部分が上記他方のシャフト部分に関して第１方向に回転されるときに、共通平面内に存すると共に上記一方のシャフト部分を取り囲む一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングに臨むと共に上記他方のシャフト部分を取り囲むコンデンサ・プレート・リングと、の間においてパドルの誘電ヘッドを概略的に外径方向に移動させる段階と、
上記一方のシャフト部分が上記他方のシャフト部分に関して第２方向に回転されるときに、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと上記コンデンサ・プレート・リングとの間においてパドルの上記誘電ヘッドを概略的に内径方向に移動させる段階とを備え、
上記パドルは、本体と、該本体と上記誘電ヘッドとの間に配設された湾曲ネックとを有し、且つ、
上記湾曲ネックは上記一方のシャフト部分に関して実質的に固定された離間軸受対の間に配設され、且つ、上記本体は上記他方のシャフト部分に関して実質的に固定された枢動点に対して枢動的に連結される、
トルク測定方法。
【請求項１３】
前記誘電ヘッドを概略的に外径方向に移動させる前記段階または上記誘電ヘッドを概略的に内径方向に移動させる前記段階は、上記誘電ヘッドを概略的に径方向および概略的に円周方向の両方に移動させる段階を備える、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記湾曲ネックが前記離間軸受対に乗り上げるときに前記誘電ヘッドは概略的に径方向および概略的に円周方向の両方に移動される、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記各シャフト部分は該各シャフト部分に埋設されたトーション・ロッドにより相互接続される、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操舵などの車両用途に対するセンサに関し、より詳細には、回転シャフトに対する径方向移動式容量型トルクセンサおよびトルク測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車業界においてエンジン動力消費を少なくするという最近の要件によれば、動力操舵用の油圧ポンプに代えて、操縦力（ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｅｆｆｏｒｔ）を支援すべくステアリング・シャフトにギヤ接続された更に効率的な電気モータが必然とされてきた。主な問題は、操縦力をどれほど支援すべきかを知るべく、運転者により付与された操縦力の検知に関している。
【０００３】
運転者により付与された操縦力に対するひとつのセンサは、”垂直移動式容量型トルクセンサ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ  Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）”と称された米国特許第６，５６４，６５４号に開示されている。この特許は容量型検出技術の使用を開示しており、２つの同心的リング・プレートを用いて形成されたキャパシタンスは誘電物質の位置に依存して変化せしめられる。上記センサは、該センサが取付けられるシャフトの回転軸心に直交して移動する複数の誘電性翼板を有する。この特許のひとつの代表的実施例において、各翼板は付勢部材により付勢されることで斯かる直交方向における移動を実現している。斯かる付勢部材はいずれも、上記センサに対して不都合な且つ／又は予測不能な力もしくはトルクを導入する可能性がある。
【０００４】
故に、誘電物質を付勢せずに運転者の操縦力を検知する装置および方法を提供することが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の代表的実施例においては、径方向移動式容量型トルクセンサが提供される。該センサは、共通平面内に存する一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングに臨むコンデンサ・プレート・リングと、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと上記コンデンサ・プレート・リングとの間に配設されたパドル・アセンブリとを含む。上記パドル・アセンブリは、円形開口を有すると共に少なくともひとつの離間軸受対が取付けられた第１ロータと；円形開口を有すると共に少なくとも一個の枢動点が配置された第２ロータと；誘電ヘッドと、湾曲ネックと、本体とを有する少なくとも一個のパドルと；を含む。上記湾曲ネックは上記少なくともひとつの離間軸受対の内の対応する離間軸受対の間に配設され、且つ、上記本体は上記少なくとも一個の枢動点の内の対応する枢動点に対して枢動的に連結される。
さらに、前記第２ロータに関して前記第１ロータが回転されたときに前記ヘッドは上記第２ロータに関して径方向および円周方向の両方に移動する。
さらに、前記少なくともひとつの離間軸受対と当該少なくともひとつの凹状領域との間の係合により前記第１ロータおよび第２ロータの回転移動が制限される如く、上記第１ロータに臨む上記第２ロータの表面にて該第２ロータには、上記少なくともひとつの離間軸受対に対応して該離間軸受対に係合する少なくともひとつの凹状領域が形成される。
さらに、当該突起がシャフト上の溝との係合に使用され得る如く、前記第１および第２ロータの少なくとも一方は、その円形開口を囲繞する表面に突起が形成される。
さらに、前記パドル・アセンブリは４個のパドルを有し、且つ、前記第１ロータは上記４個のパドルに各々が係合する４つの離間軸受対を有する。
さらに、前記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングおよび前記コンデンサ・プレート・リングの少なくとも一方はプリント配線基板（ＰＣＢ）上に配設される。
さらに、前記第１ロータが前記第２ロータに関して第１方向に回転されるときに前記少なくとも一個のパドルの前記誘電ヘッドは概略的に外径方向に移動する。
さらに、前記第１ロータが前記第２ロータに関して第２方向に回転されるときに前記少なくとも一個のパドルは概略的に内径方向に移動する。
さらに、前記少なくとも一個の枢動点において前記第２ロータには枢動ピンが取付けられ、且つ、前記本体には上記枢動ピンに枢動的に連結される開口が形成される。
さらに、前記少なくとも一個のパドルの前記湾曲ネックにはスロットが形成されることで、該湾曲ネック上に一体的スプリングを形成する。
【０００６】
本発明の別の代表的実施例においては、回転軸心を有する回転シャフトであって、一方のシャフト部分に付与されたトルクは他方のシャフト部分に関する角度的変位を引き起こすという２つのシャフト部分を有する回転シャフトに対する径方向移動式容量型トルクセンサが提供される。該センサは、共通平面内に存すると共に上記一方のシャフト部分を取り囲む一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングに臨むと共に上記他方のシャフト部分を取り囲むコンデンサ・プレート・リングと、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと上記コンデンサ・プレート・リングとの間に配設されたパドル・アセンブリとを含む。上記パドル・アセンブリは、上記一方のシャフト部分に係合する円形開口を有すると共に少なくともひとつの離間軸受対が取付けられた第１ロータと；上記他方のシャフト部分に係合する円形開口を有すると共に少なくとも一個の枢動点が配置された第２ロータと；誘電ヘッドと、湾曲ネックと、本体とを有する少なくとも一個のパドルと；を含む。上記湾曲ネックは上記少なくともひとつの離間軸受対の内の対応する離間軸受対の間に配設され、且つ、上記本体は上記少なくとも一個の枢動点の内の対応する枢動点に対して枢動的に連結される。
【０００７】
本発明の更に別の代表的実施例においては、一方のシャフト部分に付与されたトルクは他方のシャフト部分に関する角度的変位を引き起こすという２つのシャフト部分の間におけるトルクを測定する方法が提供される。上記一方のシャフト部分が上記他方のシャフト部分に関して第１方向に回転されるときに、共通平面内に存すると共に上記一方のシャフト部分を取り囲む一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングに臨むと共に上記他方のシャフト部分を取り囲むコンデンサ・プレート・リングと、の間においてパドルの誘電ヘッドは概略的に外径方向に移動される。上記一方のシャフト部分が上記他方のシャフト部分に関して第２方向に回転されるときに、上記一対の同心的コンデンサ・プレート・リングと上記コンデンサ・プレート・リングとの間においてパドルの上記誘電ヘッドは概略的に内径方向に移動される。上記パドルは、本体と、該本体と上記誘電ヘッドとの間に配設された湾曲ネックとを有する。上記ネックは上記一方のシャフト部分に関して実質的に固定された離間軸受対の間に配設される。上記本体は上記他方のシャフト部分に関して実質的に固定された枢動点に対して枢動的に連結される。
さらに、前記誘電ヘッドを概略的に外径方向に移動させる前記段階または上記誘電ヘッドを概略的に内径方向に移動させる前記段階は、上記誘電ヘッドを概略的に径方向および概略的に円周方向の両方に移動させる段階を備える。
さらに、前記湾曲ネックが前記離間軸受対に乗り上げるときに前記誘電ヘッドは概略的に径方向および概略的に円周方向の両方に移動される。
さらに、前記各シャフト部分は該各シャフト部分に埋設されたトーション・ロッドにより相互接続される。
【０００８】
本発明のこれらの及び他の見地は、本明細書中における説明及び添付図面から更に容易に理解され得よう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
容量型検出技術は公知である。コンデンサの値は、各コンデンサ・プレート間における誘電物質の誘電率、上記各プレートの面積、および、これらの２枚のプレート間の距離に依存する。
【００１０】
一例として、平行な同一である２枚の金属プレートを有するコンデンサのキャパシタンスＣは、εを誘電率、Ａ＝一枚のプレートの面積、および、ｄ＝２枚のプレート間の距離とすれば、Ｃ＝εＡ／ｄで与えられる。これらのパラメータのいずれもが、検知プロセスにおいて使用され得る。
【００１１】
図１Ａ、図１Ｂおよび図２は、本発明の代表的実施例におけるコンデンサを形成する金属プレートを、誘電体を挿入せずに示している。図１Ａは、回転軸心１２を取り囲む環状もしくはリング型のコンデンサ・プレート１０を示している。上記回転軸心は、当該センサが取付けられるシャフトの回転軸心とされ得る。キャパシタンスは、コンデンサ・プレート１０と、相互に関して同一平面内に存すると共にシャフト軸心１２を取り囲むべく図１Ｂに示された一対の同心的なリング型コンデンサ・プレート１４および１６との間に形成される。
【００１２】
図２において理解され得る様に、外側コンデンサ・プレート１６およびコンデンサ・プレート１０によりコンデンサＣ１が形成され、かつ、内側コンデンサ・プレート１４およびコンデンサ・プレート１０によりコンデンサＣ２が形成される。コンデンサ・プレート１０および同心的コンデンサ・プレート１４および１６は、距離ｄだけ離間される。コンデンサ・プレート１０と同心的コンデンサ・プレート１４および１６との間における間隙内には、該コンデンサ・プレート１４および１６間において概略的に径方向に当該可動誘電物質を移動させることでＣ１およびＣ２コンデンサのキャパシタンスが調節され得る如く、可動誘電物質が配設される。
【００１３】
ゼロ・トルクにおいて平衡化容量出力を提供すべく、コンデンサ・プレート１４および１６は等しい面積を有さねばならない（すなわちＣ１およびＣ２は同一のキャパシタンスを有する）。等しい面積は、単純な形状寸法により容易に提供され得る。等しい面積のコンデンサ・プレートに対して３つの関連半径が示された図１Ｂを参照すると、以下の式が適用可能である：
【数１】
2005326390.tif 000003
式中、ｒ1は内側リング１４の内径であり、ｒ2は内側リング１４の外径であり、かつ、ｒ3は外側リング１６の外径である。
【００１４】
次に図３および図４を参照すると、コンデンサＣ１およびＣ２のキャパシタンスが比較された場合にそれらは出力電圧Ｖτを生成し、かつ、図４に示された如く例えば２．５ボルトにおいて平衡化状態が在れば、これはゼロ・トルクを表す。時計方向の最大トルクに対応する出力電圧Ｖτは５．０ボルトより僅かに小さくされ得ると共に、反時計方向における最大トルク約０．０ボルトよりも僅かに大きくされ得る。もちろん、他の実施例において容量型センサは、反時計方向トルクが付与されたときに出力電圧Ｖτは減少し且つ時計方向トルクが付与されたときに出力電圧Ｖτが増大する如く構成され得る。
【００１５】
図３に示された如き特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）に基づく典型的な市販の容量型センサ・ドライバは、容易に入手可能であり且つ適切な信号調整回路を提供する。該回路は、電荷補償帰還ループに基づくと共に、２つのキャパシタンスの合計に対するこれらのキャパシタンスの差をアナログ電圧へと変換する。この信号調整回路の出力特性は、Ｖτ＝（１＋［Ｇ・（Ｃ１−Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）］）・（Ｖｃｃ／２）であり、式中、Ｇは増幅器のゲインであり且つＶｃｃはＡＳＩＣチップの供給電圧である。上記センサは比率測定機構（ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）に基づくことから、Ｃ１およびＣ２の値は相互に対して追随する（すなわち相互に対して比例的に増減する）という事実により、湿度、温度などの環境効果が精度に対して有する影響は最小限である。
【００１６】
図５は、当該小寸シャフト４０および大寸シャフト４２内に埋設されるトーション・ロッド４４を用いて小寸シャフト４０（”上側シャフト”）を大寸シャフト４２（”下側シャフト”）に接合することで形成されたシャフト上に取付けられた本発明の代表的実施例における径方向移動式容量型トルクセンサを示している。上記トーション・ロッドに対してトルクが付与されたとき、該トーション・ロッドに対する捻れは上記上側および下側シャフト間の角度的変位に帰着する。付与されたトルクは上記トルクセンサにより検出されてから、該付与トルクを表す電圧へと変換される。上記角度的変位は、付与トルクの量に正比例する。トーション・ロッド４４は例えば、０．３〜０．５度／Ｎ・ｍの移動を提供し得る。他の実施例におけるトーション・ロッドは他の適切な移動／トルク特性を有し得る。他の実施例において、トーション・ロッドにより相互接続される各シャフトの直径は、相互に対して実質的に同一とされ得る。
【００１７】
シャフト４０には、第１ロータ２２の突起３０が係合する溝４６が形成される。シャフト４２には、第２ロータ２４の突起３２が係合する溝４８が形成される。この様に係合されると、第１ロータ２２は小寸シャフト４０に対して繋止されて該小寸シャフトと共に回転する一方、第２ロータ２４は大寸シャフト４２に繋止されて該大寸シャフトと共に回転する。ゼロ・トルクにおいて、溝４６および４８は図５に示された如く整列されねばならない。他の実施例において上記各ロータは、摩擦、スプライン、エポキシを介するなどの他の任意で適切な方法を用いて夫々のシャフトに堅固に取付けられ得る。
【００１８】
第１および第２ロータ２２および２４に加え、上記センサはプリント配線基板（ＰＣＢ）５０および５２を含む。各ＰＣＢは概略的に円形部分を有すると共に、概略的円形部分に取付けられた矩形部分も有し得る。ＰＣＢ基板５０には、コンデンサＣ２およびＣ１を夫々形成すべく用いられる同心的な金属リング１４および１６が形成される。コンデンサＣ２のキャパシタンスがロータ２２により実質的に影響されない様に、小寸同心リング１４の直径は該ロータ２２の直径より大寸である。ＰＣＢ基板５２には、第２ロータ２４の直径より大きな直径を有する単一プレート・リング１０が形成される。
【００１９】
第１ロータ２２および第２ロータ２４はパドル・アセンブリ２０を形成し、該アセンブリは複数のパドル２６ａおよび２６ｃも含む。図５においては２個のパドルのみが示されるが、上記パドル・アセンブリは実際問題として２個より多い（たとえば４個の）パドルを含み得る。上記パドルの各々はヘッド（すなわち２８ａまたは２８ｃ）を有し、該ヘッドは、コンデンサＣ１およびＣ２のキャパシタンスを調節すべく同心的リング１４および１６間において概略的に径方向に移動される。上記パドルはＦＲ−４、Ｇ１０などの誘電物質または他の任意で適切な材料で作成されるか、あるいは、正に上記ヘッドが誘電物質で作成され得る。
【００２０】
本来的に、上記シャフトにおける径方向の偏心（ｒｕｎ−ｏｕｔ）による誤差は、パドル・アセンブリ２０の幾何学形状の対称性において相殺される。一方のパドルが一方のコンデンサ・リングに向けて移動するにつれ、１８０°離間した他方のパドルは逆方向に移動することで、誤差を相殺する。一例として、径方向の偏心の故に一方のパドルのヘッドが内側方向に移動されたとすると、１８０°離間した他方のパドルのヘッドは外側方向に移動される。更に、一方のパドルのヘッドが径方向の偏心の故に外側方向に移動されたとすると、１８０°離間した他方のパドルのヘッドは内側方向に移動される。
【００２１】
図６は、概略的に径方向におけるパドル２６ａのヘッド２８ａの移動を示す拡大図である。一例として、もし上側シャフト４０が下側シャフト４２に関して反時計（ＣＣＷ）方向に回転されたとすると、ヘッド区画２８ａは外側リング１６に向けて外方に移動することで、コンデンサＣ１のキャパシタンスを増大する。一方、上側シャフト４０が下側シャフト４２に関して時計（ＣＷ）方向に回転されたとすると、ヘッド区画２８ａは内側リング１４に向けて内方に移動することで、コンデンサＣ２のキャパシタンスを増大する。他の実施例において、上記上側区画がＣＣＷ方向に回転されたときに上記ヘッドは内方に移動し得るが、上記上側区画がＣＷ方向に回転されたときに上記ヘッドは外方に移動し得る。
【００２２】
図７において理解され得る様に第１ロータ２２には複数の離間軸受対７０ａ、７０ｂ、７０ｃおよび７０ｄが形成される。ひとつの代表的実施例において各軸受は、ピン、または、六角穴つきネジ（Ａｌｌｅｎ  ｓｃｒｅｗ）のヘッドの如き支柱である。他の実施例において各軸受は、自身の中央軸心の回りで実質的に自由に回転する円筒ローラとされ得る。更に別の実施例において各軸受は、ボール・ベアリング、または、当該構造に対して摺動的に係合する（または当該構造に乗り上げる）他方の構成要素の移動を案内し得る他の任意で適切な構造とされ得る。
【００２３】
各離間軸受対は、近傍の２個の離間軸受対から９０°離間して配置される。図７においては４個の離間軸受対が示されるが、他の実施例においては異なる個数の離間軸受対が使用され得る。第１ロータ２２はその中央にて、図５の上側シャフト４０などのシャフト上に装着されるための開口を有する。第１ロータ２２は、上記中央開口の周縁部の回りにおける低位円筒壁６０を有する。溝４６にて上側シャフト４０に係合するために当該突起３０が使用され得る如く、上記開口を囲繞する内側面上には突起３０が形成される。
【００２４】
図８において、複数のパドル２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄは夫々、枢動ピン（”枢動点”）８０ａ、８０ｂ、８０ｃおよび８０ｄにて第２ロータ２４に枢動的に連結される。図示実施例において第２ロータ２４上に形成された上記枢動ピンは枢動接続を構成すべく使用されるが、他の実施例においては他の任意で適切な枢動接続が使用され得る。パドル２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄは夫々、それらの枢動点から離間した端部に形成されたヘッド２８ａ、２８ｂ、２８ｃおよび２８ｄを有する。図８においては４個のパドルが示されるが、パドルの個数は、他の実施例においては異なるものとされ得ると共に、第１ロータ２２上における離間軸受対の個数に対応する。
【００２５】
図示実施例において第２ロータ２４はその中央に、下側シャフト４２と係合するために形成された開口を有する。第２ロータ２４の該開口は第１ロータ２２の上記開口よりも大寸である、と言うのも、直径に関して下側シャフト４２は上側シャフト４０よりも大寸だからである。故に、上記パドル・アセンブリが組立てられたとき、第１ロータ２２の低位円筒壁６０は第２ロータ２４の中央開口内に嵌合し得る。第２ロータ２４は、上記開口の周縁部の回りにおける低位円筒壁９０も有する。同様に、上記開口を囲繞する内側面上には、下側シャフト４２の溝４８に係合する突起３２が形成される。
【００２６】
第２ロータ２４はまた、第１ロータ２２に臨む表面上にて、該第２ロータに形成された複数の凹状領域８２ａ、８２ｂ、８２ｃおよび８２ｄも有する。上記各凹状領域は、第１ロータ２２上に取付けられた対応する離間軸受対に対して該凹状領域が係合する如く配置される。図９Ａ乃至図９Ｃに関して以下で更に詳細に論じられる如く、各パドルのネックは、第１ロータ２２上の対応する離間軸受対の間に載置される。各離間軸受対は対応する凹状領域に係合することから、上記第１および第２ロータが相互に関して回転されたとき、上記軸受および凹状領域は協働して、各ロータが所定回転角度範囲を超えて回転するのを防止する。一例として、ひとつの代表的実施例において回転角度範囲は±８°とされ得る。他の実施例において回転角度範囲は±１〜±１０°で変更され得るか、または、他の任意で適切な範囲の角度数とされ得る。
【００２７】
以下においては図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃを参照してパドル２６ｃおよび離間軸受７０ａの形状および作用が記述されるが、他の離間軸受対およびパドルは図９Ａ乃至図９Ｃに示されたパドル２６ｃおよび離間軸受７０ａと実質的に同一の構造を有すると共にそれらと実質的に同一の様式で動作することは理解される。
【００２８】
図９Ａは、パドル・アセンブリ２０の上記各パドルの内の１個のみ、すなわちパドル２６ｃを示している。図７および図８においては、第１および第２ロータ２２および２４が相互に組立てられたとき、離間軸受対７０ａはパドル２６ｃおよび凹状領域８２ｃに係合することが理解され得る。
【００２９】
ヘッド２８ｃに加え、パドル２６ｃはネック１０２および本体１０４を含む。上記ネックは、”アーム”とも称され得る。ネック１０２から離間された本体１０４の端部には、第１ロータ２２上の枢動ピン８０ｃに対してパドル２６ｃを枢動的に連結すべく使用される孔１００が形成される。先に示された如く、他の実施例における枢動点は、上記枢動ピンおよび孔とは異なり得る任意の適切な枢動接続により形成され得る。本体１０４は、第１ロータ２２の中央における上記円形開口の曲率に概略的に追随する曲率を以て湾曲される。ネック１０２と本体１０４との間には、パドル２６ｃが最外方延在位置に在るときに離間軸受７０ａの一方に係合する谷部１０６が形成される。
【００３０】
図９Ａにおいては、ネック１０２が離間軸受対７０ａの間であることが理解され得る。ネック１０２は、曲率半径Ｒを有する該ネックが上記軸受に乗り上げるときにヘッド２８ｃが径方向だけでなく円周方向においても外方に移動する如く、曲率半径Ｒを有する穏やかな曲率を有する。上記ネックは、当該２本の曲線の丈の全体に亙り相互から実質的に等距離である２本の曲線から成る外形を有する。パドル２６ｃが両側における離間軸受７０ａ間を移動するときに上記ネックがこれらの軸受に摺動可能に係合する様に、上記各曲線間の距離はこれらの軸受間の間隔と実質的に同一である。故に、上記パドルおよび上記離間軸受の設計態様に対しては強制移動式手法が選択され、その場合に上記パドル・ネックの内径および外径（すなわち内方に湾曲された曲線および外方に湾曲された曲線）は上記離間軸受間に捕捉され、かつ、上記パドルは該離間軸受間における所定方向に進行すべく強制される。この技術を用いれば、上記センサに対しては、いずれの方向においても回転バイアスは実質的に付与されない。
【００３１】
図示実施例においてロータ２４がロータ２２に関して反時計方向に回転されたとき、上記ネックは上記軸受の凸状（”外方に湾曲された”）側に乗り上げると称され得る如く、該ネックは主として該ネックの凸状側の軸受に力を及ぼす。他方、ロータ２４がロータ２２に関して時計方向に回転されたとき、上記ネックは上記軸受の凹状（”内方に湾曲された”）側に乗り上げると称され得る如く、該ネックは主として該ネックの凹状側の軸受に力を及ぼす。
【００３２】
当業者であれば理解され得る如く、曲率Ｒ、および／または、第２ロータ２４上の枢動点を調節することで、上記各ロータの回転とヘッド２８ｃの径方向移動との間の線形関係が実現され得る。また当業者であれば、曲率Ｒ、上記ネックの凹状性／凸状性、および／または、上記枢動点の箇所を変更することで、上記各ロータの回転移動とヘッド２８ｃの径方向移動との間の他の所望の（非線形などの）関係が実現され得ることも理解し得よう。
【００３３】
図９Ａにおいて、谷部１０６と対向する上記ヘッドの部分１０８は離間軸受対７０ａの一方の軸受の近傍であり、且つ、ヘッド２８ｃは、内側コンデンサＣ２のキャパシタンスが外側コンデンサＣ１のキャパシタンスより大きくなる如く、主として内側リング１４をカバーする。
【００３４】
上記シャフト・アセンブリに対して反時計方向のトルクが付与されたとき、パドル２６ｃの上記枢動点（すなわち孔１００）は軸受７０ａに接近して（且つ軸受７０ｂから離間して）移動される。これにより、ネック１０２が軸受７０ａに沿い乗り上げるにつれて上記パドルは外方に移動する。この動作により、コンデンサＣ１の値は増大し且つコンデンサＣ２の値は減少する。
【００３５】
図９Ｂにおいては、枢動ピン８０ｃに枢動的に連結された孔１００の移動により、（不図示の）第２ロータ２４が第１ロータ２２に関して反時計方向に回転したことが理解され得る。ヘッド２８ｃは、概略的に径方向において外方に移動している。同様に、離間軸受７０ａ間に配設されたネック１０２の曲率の故に、パドル２６ｃは枢動ピン８０ｃの回りにて時計方向に枢動回転している。
【００３６】
図９Ｂに示された如く、曲率Ｒを有するネック１０２の実質的に中央に離間軸受７０ａが載置されたとき、上記ヘッドは外側および内側リング上に実質的に対称的に位置される。換言すると、図９Ｂにおけるヘッド２８ｃは外側リング１６および内側リング１４の略々等しい量をカバーする。この時点にて、コンデンサＣ１のキャパシタンスはコンデンサＣ２のキャパシタンスと実質的に等しい。
【００３７】
図９Ｃにおいて（不図示の）第２ロータ２４は、第１ロータ２２に関して更に反時計方向に回転されている。第１ロータ２２上における近傍の離間軸受対７０ｂから孔１００が更に離間移動していることは理解され得る。故に、ネック１０２が離間軸受対７０ａを通り外方に移動したときにヘッド２８ｃは更に外方に移動している。図９Ｃにおいては、離間軸受７０ａの一方が実質的に谷部１０６内に配設されていることが理解され得る。これに加え、パドル２６ｃは枢動ピン８０ｃ（すなわち孔１００が枢動的に連結された枢動点）に関して時計方向に更に回転されている。
【００３８】
この時点において、上記シャフト・アセンブリに対して時計方向トルクが付与されたとき、上記枢動点は軸受７０ａから離間して（且つ軸受７０ｂに向けて）移動されることから、曲率Ｒを有する上記ネックが軸受７０ａに沿い乗り上げるときにヘッド２８ｃは内方に移動し得る。この動作によれば、コンデンサＣ２の値は増大し且つコンデンサＣ１の値は減少する。上記パドルの形態／形状を、より詳細には上記ネックの設計態様を変更することで、ロータ２２および２４が相互に関して回転するときに上記パドルおよびそのヘッドは異なる速度にて異なる方向に移動され得る。
【００３９】
上述された如き径方向移動式容量型トルクセンサにおけるヒステリシスに対する主たる寄与物は、上記パドルの移動における一切の自由遊び（ｆｒｅｅ  ｐｌａｙ）である。この変動を合理的なレベルまで減少するには、機械的寸法を非常に厳密な許容差に維持することが必要であり、これは上記センサのコスト増大に繋がる。
【００４０】
更に不正確な許容差を補償するひとつの方法は、上記各軸受の一方に対して上記パドル半径部（すなわちパドルのネック）をスプリング負荷することである。しかしスプリングに伴う問題は、力が常に一方向であることである。この力は一方向における上記パドルの移動を助力するが、逆方向における移動を阻害する。斯かるスプリング付勢は、ヒステリシスとしても現れる。
【００４１】
本発明の別の代表的実施例において上記パドル・ネックの内側半径（”内方に湾曲した曲線”）および外側半径（”外方に湾曲した曲線”）は、いずれの方向における移動も促進せずに、夫々の軸受に対して等しくスプリング負荷される。図１０のパドル２６’は斯かるパドルのひとつであり、本発明の別の代表的実施例においてネック１０２’に一体的スプリングを有している。
【００４２】
パドル２６’は、図８におけるパドル２６ａ乃至２６ｄに置き換わるべく使用され得ると共に、図８および図９Ａ乃至図９Ｃに示されたパドル２６ｃに対応する構成要素を有する。故にパドル２６’は、ヘッド２８’、孔１００’、ネック（”アーム”）１０２’、本体１０４’、谷部１０６’、および、該谷部１０６’と対向する上記ヘッドの部分１０８’を有する。これに加えてパドル２６’は、一体的スプリングを形成すべく上記ネックに切り込まれたスロット１１１を有する。スロット１１１は、ネック１０２’の内側半径の曲率から僅かな距離だけ離間すると共に概略的に該曲率に追随する。スロット１１１は上記離間軸受の進行距離よりも僅かに長寸である、と言うのも、該スロットはヘッド２８’とネック１０２’との間の略々接合部から開始し、ネック１０２’に沿い下方まで延在し、ネック１０２’と本体１０４’との間の略々接合部に至るからである。これにより、内側軸受に対する表面乗り上げは僅かに弾性的とされる。その場合、たとえば内側半径を０．００１インチ（”０．００２５４ｃｍ”）の干渉に対して加工することにより、ネック１０２’は常に両方の軸受に密接に接触し、且つ、自由遊びの原因は実質的に排除される。換言すると、上記ネックの各曲線間の幅は、上記各離間軸受間の距離よりも僅か（たとえば０．００１インチ（”０．００２５４ｃｍ”））だけ大きくされる。
【００４３】
図１１は、本発明の代表的実施例における径方向移動式容量型トルクセンサの分解図である。該センサは、夫々の周縁部に沿い形成された複数の孔１２１および１５１を通して相互に固定され得るカバー１２０および１５０を有する。これらのカバーの間に他の構成要素が設置されたときに該構成要素を整列させるために、第１カバー１２０には複数の案内ピン１２２も形成される。
【００４４】
ＰＣＢ基板５２には、案内ピン１２２に係合する複数の開口１２３が形成される。ＰＣＢ基板５２にはまた、コンデンサ・リング・プレート１０と、ＡＳＩＣ／論理チップ１３０が取付けられる矩形部分とが形成される。ＰＣＢ５２とＰＣＢ５０との間には、パドル・アセンブリ１４０が載置される。ＰＣＢ５０には、一対の同心的リング・プレート１４および１６が形成される。設置されたときに同心的リング・プレート１４および１６は、それらとリング・プレート１０との間にキャパシタンスが形成される如く該リング・プレートに臨まねばならない。パドル・アセンブリ１４０における各パドルのヘッドがＰＣＢ５２およびＰＣＢ５０上の金属リング・プレート間で実質的に自由に回動する如く、これらのＰＣＢ間にはスペーサ・リング５４が挿入される。ＰＣＢ５０はまた、案内ピン１２２に係合するための複数の案内孔１２５も有する。最後に、ＰＣＢ５０の頂部にはカバー１５０が載置されてセンサ・パッケージを形成する。
【００４５】
上記においては本発明の幾つかの代表的実施例が詳細に記述され且つ添付図面に示されたが、斯かる実施例は例示的なものに過ぎず広範囲な本発明を限定するものでないことを理解すべきである。故に、上述された本発明の図示実施例および他の実施例に対しては本発明の広範囲な発明範囲から逸脱せずに種々の改変が為され得ることは理解される。上記に鑑みれば、本発明は開示された特定の実施例もしくは配置構成に限定されるのでは無く、添付の各請求項により定義された発明の有効範囲および精神内における一切の変更、適合もしくは改変を包含することが意図されることは理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】本発明の代表的実施例におけるリング状コンデンサ・プレートの平面図である。
【図１Ｂ】本発明の代表的実施例における同心リングの２個のコンデンサ・プレートの平面図である。
【図２】捩れが決定されるべきシャフト上で実際に使用されている図１および図２のコンデンサ・プレート・リングの組合わせ物の斜視図である。
【図３】図２のコンデンサを処理する回路機構の概略図である。
【図４】本発明の代表的実施例における上記センサの出力電圧と付与トルクとの間の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の代表的実施例における径方向移動式容量型トルクセンサの各構成要素が如何にしてシャフトに対して相互接続して設置されるかを示す簡略化断面図である。
【図６】時計方向および反時計方向におけるシャフトの回転に応じたパドルのヘッドの移動を示す拡大図である。
【図７】図５のセンサにおける第１ロータの平面図である。
【図８】複数のパドルが枢動的に取付けられた図５のセンサの第２ロータの平面図である。
【図９Ａ】異なる作動状態を示す図５の９−９方向におけるパドル・アセンブリの部分的破断図である。
【図９Ｂ】異なる作動状態を示す図５の９−９方向におけるパドル・アセンブリの部分的破断図である。
【図９Ｃ】異なる作動状態を示す図５の９−９方向におけるパドル・アセンブリの部分的破断図である。
【図１０】本発明の別の代表的実施例におけるパドルの平面図である。
【図１１】シャフト上の設置のために各構成要素が如何にして組立てられるかを示す図５のセンサの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０    コンデンサ・プレート、単一プレート・リング、コンデンサ・リング・プレート
１２    シャフト軸心、回転軸心
１４    リング型コンデンサ・プレート、内側コンデンサ・プレート、リング、小寸同心リング
１６    リング型コンデンサ・プレート、外側コンデンサ・プレート、リング
２０    パドル・アセンブリ
２２    第１ロータ
２４    第２ロータ
２６’    パドル
２６ａ〜２６ｄ    パドル
２８’    ヘッド
２８ａ    ヘッド、ヘッド区画
３０    突起
３２    突起
４０    小寸シャフト、上側シャフト
４２    大寸シャフト、下側シャフト
４４    トーション・ロッド
４６    溝
４８    溝
５０    ＰＣＢ基板
５２    ＰＣＢ基板
５４    スペーサ・リング
６０    低位円筒壁
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ    離間軸受対
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ    枢動ピン
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ    凹状領域
９０    低位円筒壁
１００    孔
１０２、１０２’    ネック
１０４、１０４’    本体
１０６、１０６’    谷部
１０８、１０８    部分
１１１    スロット
１２０    カバー
１２１    孔
１２２    案内ピン
１２３    開口
１２５    案内孔
１３０    ＡＳＩＣ／論理チップ
１４０    パドル・アセンブリ
１５０    カバー
１５１    孔
Ｃ    キャパシタンス
Ｃ１    外側コンデンサ
Ｃ２    内側コンデンサ
Ｖｃｃ    供給電圧
Ｖτ    出力電圧
【図１Ａ】
2005326390.tif 000004
【図１Ｂ】
2005326390.tif 000005
【図２】
2005326390.tif 000006
【図３】
2005326390.tif 000007
【図４】
2005326390.tif 000008
【図５】
2005326390.tif 000009
【図６】
2005326390.tif 000010
【図７】
2005326390.tif 000011
【図８】
2005326390.tif 000012
【図９Ａ】
2005326390.tif 000013
【図９Ｂ】
2005326390.tif 000014
【図９Ｃ】
2005326390.tif 000015
【図１０】
2005326390.tif 000016
【図１１】
2005326390.tif 000017